Esquisto sedimentario

El esquisto sedimentario o sedimentoso (en inglés shale) es una roca sedimentaria clástica de grano fino formada a partir de lodo que es una mezcla de escamas de minerales arcillosos y pequeños fragmentos (partículas del tamaño de limo) de otros minerales, especialmente cuarzo y calcita. El esquisto se caracteriza por su tendencia a dividirse en capas delgadas (láminas) de menos de un centímetro de espesor. Esta propiedad se llama fisibilidad. El esquisto es la roca sedimentaria más común.

El término esquisto a veces se aplica de manera más amplia, esencialmente como un sinónimo de roca lodosa, en lugar del sentido más estricto de roca de barro fisionable rica en arcilla.

Para revisar la traducción de shale al español, puede revisarse la actual traducción de la oficina gubernamental canadiense para las traducciones oficiales, que aunque en francés, comparte los aspectos léxicos del español “esquisto”, link: L’Actualité langagière, volume 8, numéro 2, 2011, page 13.

Textura

El esquisto típicamente exhibe diversos grados de fisibilidad. Debido a la orientación paralela de las escamas de minerales de arcilla en el esquisto, se rompe en capas delgadas, a menudo astilladas y generalmente paralelas a los planos de lecho que de otro modo serían indistinguibles. Las rocas no fisionables de composición y tamaño de partículas similares (menos de 0,0625 mm) se describen como lutitas (1/3 a 2/3 de partículas de limo) o arcilitas (menos de 1/3 de limo). Las rocas con tamaños de partículas similares pero con menos arcilla (más de 2/3 de limo) y, por lo tanto, más arenosas son limolitas.

Composición y color

Las lutitas son típicamente de color gris y están compuestas de minerales arcillosos y granos de cuarzo. La adición de cantidades variables de constituyentes menores altera el color de la roca. Los colores rojo, marrón y verde son indicativos de óxido férrico (hematita - rojos), hidróxido de hierro (goethita - marrones y limonita - amarillo) o minerales micáceos (clorita, biotita e ilita - verdes). El color cambia de rojizo a verdoso a medida que el hierro en estado oxidado (férrico) se convierte en hierro en estado reducido (ferroso). El esquisto negro resulta de la presencia de más del uno por ciento de material carbonoso e indica un ambiente reductor. Las lutitas de color azul pálido a azul verdoso suelen ser ricas en minerales de carbonato.

Las arcillas son el componente principal de las lutitas y otras rocas de barro. Los minerales arcillosos representados son en gran parte caolinita, montmorillonita e ilita. Los minerales arcillosos de las lutitas del Terciario Superior son esmectitas expandibles, mientras que en las rocas más antiguas (especialmente en las lutitas del Paleozoico medio a temprano) predominan las illitas. La transformación de la esmectita en ilita produce sílice, sodio, calcio, magnesio, hierro y agua. Estos elementos liberados forman cuarzo autígeno, pedernal, calcita, dolomita, ankerita, hematita y albita, todos rastros de minerales menores (excepto cuarzo) que se encuentran en lutitas y otras rocas de barro.Una lutita típica se compone de aproximadamente 58 % de minerales de arcilla, 28 % de cuarzo, 6 % de feldespato, 5 % de minerales de carbonato y 2 % de óxidos de hierro. La mayor parte del cuarzo es detrítico (parte de los sedimentos originales que formaron la lutita) en lugar de autigénico (cristalizado dentro de la lutita después de la deposición).

Los esquistos y otras rocas de barro contienen aproximadamente el 95 por ciento de la materia orgánica en todas las rocas sedimentarias. Sin embargo, esto equivale a menos del uno por ciento en masa en un esquisto promedio. Las lutitas negras, que se forman en condiciones anóxicas, contienen carbono libre reducido junto con hierro ferroso (Fe) y azufre (S). El sulfuro de hierro amorfo, junto con el carbono, produce la coloración negra. Debido a que el sulfuro de hierro amorfo se convierte gradualmente en pirita, que no es un pigmento importante, las lutitas jóvenes pueden ser bastante oscuras debido a su contenido de sulfuro de hierro, a pesar de un contenido modesto de carbono (menos del 1%), mientras que un color negro en una lutita antigua indica un alto contenido de carbono.

La mayoría de las lutitas son de origen marino y el agua subterránea en las formaciones de lutitas suele ser muy salina. Existe evidencia de que el esquisto actúa como un medio semipermeable, permitiendo el paso del agua mientras retiene las sales disueltas.

Formación

Las partículas finas que componen el esquisto pueden permanecer suspendidas en el agua mucho tiempo después de que se hayan depositado las partículas más grandes de arena. Como resultado, las lutitas normalmente se depositan en aguas de movimiento muy lento y, a menudo, se encuentran en lagos y depósitos lagunares, en deltas de ríos, en llanuras aluviales y en alta mar por debajo de la base de las olas. Se encuentran depósitos gruesos de esquisto cerca de los antiguos márgenes continentales y cuencas de antepaís.Algunas de las formaciones de esquisto más extendidas fueron depositadas por mares epicontinentales. Las lutitas negras son comunes en los estratos del Cretácico en los márgenes del Océano Atlántico, donde se depositaron en cuencas con sillería limitadas por fallas asociadas con la apertura del Atlántico durante la ruptura de Pangea. Estas cuencas eran anóxicas, en parte debido a la circulación restringida en el estrecho Atlántico y en parte porque los mares muy cálidos del Cretácico carecían de la circulación del agua fría del fondo que oxigena los océanos profundos en la actualidad.

La mayor parte de la arcilla debe depositarse como agregados y flóculos, ya que la velocidad de sedimentación de las partículas individuales de arcilla es extremadamente lenta. La floculación es muy rápida una vez que la arcilla se encuentra con agua de mar altamente salina. Mientras que las partículas de arcilla individuales tienen un tamaño inferior a 4 micras, los grumos de partículas de arcilla producidos por floculación varían en tamaño desde unas pocas decenas de micras hasta más de 700 micras de diámetro. Los flóculos comienzan siendo ricos en agua, pero gran parte del agua se expulsa de los flóculos a medida que los minerales arcillosos se unen más estrechamente con el tiempo (un proceso llamado sinéresis). La granulación de arcilla por parte de organismos que filtran el alimento es importante cuando se inhibe la floculación. Los filtros alimentadores producen aproximadamente 12 toneladas métricas de gránulos de arcilla por kilómetro cuadrado por año a lo largo de la costa del Golfo de EE. UU.

A medida que los sedimentos continúan acumulándose, los sedimentos más antiguos y más profundamente enterrados comienzan a sufrir diagénesis. Esto consiste principalmente en la compactación y litificación de las partículas de arcilla y limo. Las primeras etapas de diagénesis, descritas como eogénesis, tienen lugar a poca profundidad (unas pocas decenas de metros) y se caracterizan por bioturbación y cambios mineralógicos en los sedimentos, con solo una ligera compactación. La pirita se puede formar en lodo anóxico en esta etapa de diagénesis.

El enterramiento más profundo se acompaña de mesogénesis, durante la cual tiene lugar la mayor parte de la compactación y litificación. A medida que los sedimentos se ven sometidos a una presión cada vez mayor de los sedimentos suprayacentes, los granos de sedimento se mueven en arreglos más compactos, los granos dúctiles (como los granos de minerales arcillosos) se deforman y el espacio poroso se reduce. Además de esta compactación física, la compactación química puede tener lugar a través de una solución a presión. Los puntos de contacto entre los granos están sometidos a la mayor tensión y el mineral filtrado es más soluble que el resto del grano. Como resultado, los puntos de contacto se disuelven, lo que permite que los granos entren en contacto más cercano.

Es durante la compactación que el esquisto desarrolla su fisibilidad, probablemente a través de la compactación mecánica del marco abierto original de partículas de arcilla. Las partículas se orientan fuertemente en capas paralelas que le dan al esquisto su estructura distintiva. La fisibilidad probablemente se desarrolla temprano en el proceso de compactación, a una profundidad relativamente baja, ya que la fisibilidad no parece variar con la profundidad en formaciones gruesas. Las escamas de caolinita tienen menos tendencia a alinearse en capas paralelas que otras arcillas, por lo que es más probable que la arcilla rica en caolinita forme lutolita no fisionable que el esquisto. Por otro lado, las lutitas negras a menudo tienen una fisibilidad muy pronunciada (lutitas de papel) debido a la unión de las moléculas de hidrocarburo a las caras de las partículas de arcilla, lo que debilita la unión entre las partículas.

La litificación sigue de cerca a la compactación, ya que el aumento de las temperaturas en profundidad acelera la deposición del cemento que une los granos. La solución a presión contribuye a la cementación, ya que el mineral disuelto en los puntos de contacto tensos se vuelve a depositar en los espacios porosos no tensos. Los minerales arcillosos también pueden verse alterados. Por ejemplo, la esmectita se transforma en ilita a temperaturas de aproximadamente 55 a 200 °C (130 a 390 °F), liberando agua en el proceso. Otras reacciones de alteración incluyen la alteración de esmectita a clorita y de caolinita a ilita a temperaturas entre 120 y 150 °C (250 y 300 °F). Debido a estas reacciones, la ilita compone el 80 % de las lutitas precámbricas, frente a aproximadamente el 25 % de las lutitas jóvenes.

El destechado de esquisto enterrado se acompaña de telogénesis, la tercera y última etapa de la diagénesis. A medida que la erosión reduce la profundidad del enterramiento, la exposición renovada al agua meteórica produce cambios adicionales en la lutita, como la disolución de parte del cemento para producir una porosidad secundaria. La pirita se puede oxidar para producir yeso.

Las 'lutitas negras' son oscuras, como resultado de ser especialmente ricas en carbono no oxidado. Comunes en algunos estratos paleozoicos y mesozoicos, las lutitas negras se depositaron en ambientes anóxicos y reductores, como en columnas de agua estancada. Algunas lutitas negras contienen abundantes metales pesados ​​como molibdeno, uranio, vanadio y zinc. Los valores enriquecidos son de origen controvertido, habiéndose atribuido alternativamente a la entrada de fluidos hidrotermales durante o después de la sedimentación oa la acumulación lenta del agua de mar durante largos períodos de sedimentación.

• Esquisto en Potokgraben, Karawanks, Austria
• Dividir esquisto (lutita bituminosa de Messel) con un cuchillo grande para revelar fósiles
• Esquisto erosionado en un corte de carretera en el sureste de Kentucky

Fósiles, huellas o madrigueras de animales e incluso impresiones de gotas de lluvia a veces se conservan en las superficies de lecho de esquisto. Las lutitas también pueden contener concreciones que consisten en pirita, apatita o varios minerales de carbonato.

Las lutitas que están sujetas al calor y la presión del metamorfismo se alteran en una roca metamórfica dura, fisionable conocida como pizarra. Con un aumento continuo en el grado metamórfico, la secuencia es filita, luego esquisto y finalmente gneis.

Como roca generadora de hidrocarburos

El esquisto es la roca generadora más común de hidrocarburos (gas natural y petróleo). La falta de sedimentos gruesos en la mayoría de los lechos de lutitas refleja la ausencia de fuertes corrientes en las aguas de la cuenca de depósito. Estos podrían haber oxigenado las aguas y destruido la materia orgánica antes de que pudiera acumularse. La ausencia de roca carbonatada en los lechos de esquisto refleja la ausencia de organismos que podrían haber secretado esqueletos carbonatados, probablemente también debido a un ambiente anóxico. Como resultado, alrededor del 95% de la materia orgánica en las rocas sedimentarias se encuentra en lutitas y otras rocas de barro. Los lechos de esquisto individuales suelen tener un contenido de materia orgánica de alrededor del 1 %, pero las rocas generadoras más ricas pueden contener hasta un 40 % de materia orgánica.

La materia orgánica en el esquisto se convierte con el tiempo de las proteínas, polisacáridos, lípidos y otras moléculas orgánicas originales en kerógeno, que a las temperaturas más altas que se encuentran a mayores profundidades de entierro se convierte aún más en grafito y petróleo.

Terminología histórica de la minería

Antes de mediados del siglo XIX, los términos pizarra, esquisto y esquisto no se distinguían claramente. En el contexto de la minería subterránea del carbón, el esquisto se denominaba con frecuencia pizarra hasta bien entrado el siglo XX. El esquisto negro asociado con vetas de carbón se llama metal negro.